创新的光刻胶材料为更小、更高性能的半导体芯片铺平了道路

在这位艺术家的可视化作品中，镜子聚焦极紫外光，在被含铟气态分子渗透的聚合物薄膜中形成潜在的图像。

50多年来，半导体行业一直在努力开发先进技术，这些技术带来了计算能力和能源效率的惊人提高，改善了我们的生活。该行业实现这些显著性能提升的主要方法是找到减小微芯片中半导体器件尺寸的方法。然而，随着半导体的特征尺寸现在接近只有几纳米，也就是几百个原子，维持器件的持续小型化变得越来越具有挑战性。

为了解决与制造更小的微芯片组件相关的挑战，半导体行业目前正在过渡到更强大的制造方法-极紫外(EUV)光刻技术。EUV光刻利用波长只有13.5纳米的光在光刻胶中形成微小的电路图案，光刻胶是光刻工艺中不可或缺的光敏材料。

光刻胶是在硅半导体中形成纳米级电路图案的模板。随着极紫外光刻技术开始为未来铺平道路，科学家们面临着为纳米制造的新时代确定最有效的抗蚀材料的障碍。

为了满足这一需求，功能纳米材料中心(CFN)的一组科学家，美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学用户设施办公室，设计了一种新的光敏有机-无机混合材料，通过EUV光刻技术实现了高性能的模式化。他们的研究结果最近发表在《先进材料界面》杂志上。

用于制造这些新型光刻胶的混合材料由有机材料(主要含有碳原子和氧原子)和无机材料(通常基于金属元素)组成。由于其独特的化学和结构，混合材料的两个部分都具有自己独特的化学、机械、光学和电学性能。通过结合这些不同的成分，新的混合有机-无机材料出现了，具有自己有趣的特性。

在有机光刻胶的情况下，添加无机分子可以大大改善EUV材料。混合材料增加了对EUV光的敏感性，这意味着它们在图案化过程中不需要暴露在那么多的EUV光下，从而减少了所需的处理时间。混合材料还具有更好的机械和耐化学性，使它们更适合作为高分辨率蚀刻的模板。

“为了合成我们的新型杂化抗蚀剂材料，通过一种称为气相渗透的专业技术将有机聚合物材料注入无机金属氧化物。这种方法是CFN材料合成专业知识的关键领域之一。与传统的化学合成相比，我们可以很容易地生成各种混合材料的成分，并通过将气态无机前体注入固体有机基质来控制它们的材料性能，”CFN的材料科学家、该项目负责人Chang-Yong Nam解释说。

随着研究小组对材料进行实验和改进，性能得到改善的抗蚀剂正在出现。任何开拓性的领域都会面临挑战。

该论文的第一作者Ashwanth Subramanian说:“我们在最初制造这些混合物时遇到的主要问题之一是，无机成分需要均匀分布在有机聚合物内部，同时确保注入的无机成分不会与有机基质紧密结合。”Subramanian是前cfn下属的石溪大学材料科学与化学工程系博士生，目前在Lam Research担任工艺工程师。

“在以前的研究中，实现这一点有点困难。然而，在这项工作中，我们能够为金属选择一种不同的前体，即无机源，这使我们能够制造出具有均匀成分以及有机和无机成分之间弱结合的混合物。”

在他们目前的研究中，研究小组注意到，与之前使用的铝相比，使用铟作为无机成分后取得了巨大的进步。科学家们使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)有机薄膜作为有机成分，并将无机氧化铟渗透到这种新型抗蚀剂中。这种新的混合材料表现出更高的灵敏度和更均匀的材料组成，从而提高了随后图案的均匀性。

CFN的材料科学家Nikhil Tiwale解释说:“在我们之前的工作中，我们展示了这一概念，并将现有的抗蚀剂成分作为概念的证明。”“在这篇新论文中，我们使用了一种在抗蚀剂界尚未研究过的成分，产生了更好的EUV吸收和改进的图案性能。”

多年来，CFN的科学家们一直在研究混合光刻胶材料，为设计新型高功能材料奠定了坚实的工作基础。Nam领导这个研究项目的目标是开发更多的新材料和新功能。2022年，他被巴 特尔纪念研究所评为年度发明家。

Nam的混合电阻显示出这样的前景，他获得了美国能源部加速新兴技术创新计划的主要资助，以追求这一概念。这个多研究所项目将探索新型混合光阻剂的开发，并利用机器学习来加速EUV研究，使材料验证更容易、更容易获得。

“目前做EUV模型真的很难，”Nam解释说。他说:“工业上使用的制版机非常非常昂贵，目前每台的价格超过2亿美元。世界上只有三到四家公司可以将其用于实际的芯片制造。有许多研究者想要研究和开发新的光刻胶材料，但无法进行EUV图像化来评估它们。这是我们希望解决的关键挑战之一。”

研究团队包括CFN的工作人员Kim Kisslinger、Ming Lu和Aaron Stein，以及石溪大学的博士生Won-Il Lee和德克萨斯大学达拉斯分校材料科学与工程系的教授Jiyoung Kim。他们的共同努力帮助推动了EUV光刻技术超越目前的极限。

该团队目前正在研究其他混合材料组合物，并测试它们的性能，以及制造它们所涉及的工艺，为更小、更高效的半导体设备铺平道路。